化工過程設計

課程設計學號：專目錄化工過程設計在芳香族氟化物中,含氟醫(yī)藥的開發(fā)最為活躍,有關的各種研究報告、專利比比皆是,有著奇特效能的新品種不時涌現(xiàn)。目前,已商品化的和正在開發(fā)的產(chǎn)品有近百種,而且應,含氟的有機中間體通常具有較高附加價值,合成難度較高,單一產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模相對較小,由于中間體分子中氟原子數(shù)的不同,,品種繁多,往往合成方法各不相同,這些芳香族氟化物在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料中應用非常廣泛。1.1基本物化性質(zhì)間氟甲苯外觀為無色至淺黃色液體,不溶于水,溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯等。常用鍍鋅鐵桶裝,儲存在通風、陰涼處。其主要物理性質(zhì)見表1110.13112~116℃-87℃9℃間氟甲苯是一個重要的醫(yī)藥工業(yè)中間體,泛的應用。可用于合成新型抗生素,哇諾酮類化合物,合成治高血壓藥,合成一些消炎藥,是合成強力安眠劑氟安定的重要中間體。自50年代中期以來,通過化學界和醫(yī)學界共同協(xié)作和努力,在化學治療藥物應用方面取得巨大的進展,含氟芳雜環(huán)藥物用于抗癌、抗炎90年代,由于含氟醫(yī)藥合成業(yè)的飛速發(fā)展,對氟系列中間體產(chǎn)品的需求品種、數(shù)量不斷增加。尤其隨著新型、功能型農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料工業(yè)的迅速發(fā)展,化工過程設計作了大量的研究,不少產(chǎn)品也形成了一定的規(guī)模。氟代甲苯是一個重要的醫(yī)藥工業(yè)原料,可用于合成新型抗生素,喳諾酮類化合物,合成治高血壓藥,合成一些消炎藥,是合成強力安眠劑氟安定的重要中間體,也用于合成治療神,國內(nèi)外需求量激增,產(chǎn)品的發(fā)展前景廣闊,吸引了很多企業(yè)和研究者們的注意。此外,可進一步合成重要的有機中間體間氟苯甲醛。由于近年來間氟甲苯展現(xiàn)的廣闊應用前景,間氟甲苯的合成及其應用研究也越來越多的得到世界各國學者的關注。目前,間氟甲苯還是以間接重氮化法主要是希曼反應、鹵素交換法、催化鹵化及特殊氟化劑氟化法。其中重氮化氟化法的研究比較多。除了傳統(tǒng)的希曼反應生產(chǎn)工藝以外,有人在含有按離子的無水氟化氫中,將間甲苯胺進行重氮,生成的氟硼酸重氮鹽在溶液中分解,得到產(chǎn)品,收率較高;日本人研究了使用無水氟化氫作為無機酸,使產(chǎn)率提高。1.4研究背景及意義甲苯的硝化是化工生產(chǎn)的重要有機反應,可以得到60%的鄰硝基甲苯,36%的對硝基甲苯和的間硝基甲苯。鄰、對硝基甲苯是工業(yè)上重要的有機中間體,而間硝基甲苯一,這不僅造成巨大資源浪費,而且嚴重污染了環(huán)境。雖然間硝基甲苯在國內(nèi)幾乎無市場需求,但其深加工產(chǎn)品卻極為緊俏,需從國外大量進口。由于間硝基甲苯的開發(fā)和利用技術沒有及時跟上,間硝基甲苯常常被作為副產(chǎn)物低價出售或庫存積壓,甚至于焚燒處理,造成化工資源的極大浪費,,深入進行間硝基甲苯的轉(zhuǎn)化利用研究具有必要性和緊迫,們使用的原料間甲苯胺即是間硝基甲苯的還原產(chǎn)物,課題的研究將副產(chǎn)物變廢為寶,減少環(huán)境污染,經(jīng)濟效益和環(huán)境效益巨大。間氟甲苯的合成方法較多,各有其優(yōu)缺點。Balz一schiemann法是國內(nèi)工業(yè)上生產(chǎn)間氟甲苯的主要方法,其工藝最成熟,但間氟甲苯的產(chǎn)率及尾氣對環(huán)境的污染是一直以來存,,于實驗室階段,無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所以我們考慮在傳統(tǒng)Balz一schiemann法的基礎上深入研究,以廉價的間甲苯胺為原料對工藝加以改進并優(yōu)化,使得此工藝路線更加合理,化工過程設計1.5目前國內(nèi)外含氟藥物達到數(shù)百種,有許多藥物已經(jīng)成為治療某些疾病的主要品種,成為合成醫(yī)藥中的非常重要的一類,有許多產(chǎn)品在藥界有著舉足輕重的位置,如氟喳諾酮類抗菌素、抗抑郁藥物氟西汀、抗真菌藥物氟抗哇等。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物、抗腫瘤藥物,抗菌藥物、抗寄生蟲病藥物、麻醉藥物、多體消炎鎮(zhèn)痛藥物、非備體消炎鎮(zhèn)痛藥物、利,消炎鎮(zhèn)痛藥物中的氟苯布洛芬和被譽為,含氟農(nóng)藥己商品化的也有60余種。由于用氟原子和含氟基團代替農(nóng)藥芳環(huán)上的其他基團,能夠顯著提高農(nóng)藥活性,靈為代表的二硝基苯胺類,以氟梭除草醚為代表的二苯醚類,以氟禾草靈為代表的苯氧梭酸類及其它含氟除草劑30,氟苯三哇等近10酷類,再加其它氟殺蟲劑共有10余個品種。含氟染料主要集中在活性染料領域,活性染料與其他類型染料相比較,比直接染料牢,成為染料尤其新型染料開發(fā)的重點系列產(chǎn)品,但是活性染料最大缺點是不能令人滿意的固色率和色度較深的染色廢液,成為制約活性染料發(fā)展的瓶頸,而含氟的活性染料的優(yōu)點恰恰在于有較高的固色率,既能提高染料的利用率,又減輕了印染過程中的環(huán)境污染,因此含氟活性染料成為染料工業(yè):染料、一氟均三嗦型活性染料、氟氯嗜睫與乙烯硯異雙活性基活性染料等。在一般反應條件下,一硝基甲苯的三種中間體中,鄰位產(chǎn)物多于對位,而對位產(chǎn)物又大大多于間位。目前,國內(nèi)市場對鄰、對位的硝基甲苯需求較大,供不應求,所以國內(nèi)外都在研究甲苯的定位硝化課題,希望鄰、對位的收率盡量提高。但是目前尚無理想結果,生成一定量的間硝基甲苯不可避免。但間硝基甲苯的開發(fā)和利用一直沒有引起人們應有的重視,不能及時跟上,使甲苯硝化中副產(chǎn)的間硝基甲苯只能低價出售或大量在庫積壓,造成化工資源的極大浪費。隨著精細化工事業(yè)的不斷發(fā)展,化工過程設計.此項開發(fā)研究具有不可忽視的經(jīng)濟,本的Hiroshiegawa藥物達到數(shù)百種,有許多藥物已經(jīng)成為治療某些疾病的主要品種,成為合成醫(yī)藥中的非常重要的一類。我國醫(yī)藥中間體的發(fā)展與醫(yī)藥工業(yè)的要求存在一定的差距,因此,應大力開發(fā)新型含氟醫(yī)藥中間體,改善工藝,滿足醫(yī)藥工業(yè)的需求。路線1為經(jīng)典反應即Bazl一Schiemann反應將間甲苯胺用亞硝酸鈉一鹽酸重氮化后加人40%濃度的氟硼酸,生成不溶于水的氟硼酸重氮鹽,經(jīng)過濾干燥后,再加熱分解,可得產(chǎn)品間氟甲苯。反應式為:路線2為無水氟化氫法,將間甲苯胺用無水氟化氫、亞硝酸鈉進行重氮化,經(jīng)熱分解得到產(chǎn)品。反應式為:以上兩種方法均采用以間甲苯胺為原料的重氮鹽分解法,但是路線1中間形成固體重氮鹽,熱分解要求高,規(guī)?；a(chǎn)難以控制,且生成的BF難以處理。路線2可將反應控3制在較低溫度下進行,且加人無水氟化氫過量作為溶劑,分段放熱,便于控制,有利于大規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)小試情況,選擇路線2進行中試生產(chǎn)合成間氟甲苯。2.2原材料規(guī)格及產(chǎn)品2.21原料規(guī)格化工過程設計第5頁共頁間甲苯胺(98507％，鄰甲苯胺≤013％)(AR)(上海中試化工總公司，AR)(上海實意化學試劑有限公司，AR)(上海振欣試劑廠，AR)，氟硼酸鈉(國藥集團化學試劑有限公司，CP)，尿素(上海久億化學試劑有限公司，純度:≥99%2.23.間甲苯胺的物化性質(zhì)間甲苯胺為無色液體，在空氣和光作用下變?yōu)辄S色或紅棕色。微溶于水，溶于乙醇針對間甲苯胺重氮化－氟化制間氟甲苯工藝進行的設計包括：反應釜（重氮化、重2.4副產(chǎn)物情況間甲苯氟硼酸重氮鹽分解時有大量無色氣體BF3水分解并有刺激性氣味。BF3三氟化硼在常溫常壓下為其有刺鼻惡臭和強刺激性的無色有毒腐蝕性氣體，不燃燒，能侵蝕黏膜和皮膚。干燥的三氟化硼對一般金屬無腐蝕性，但有水分存在時，可迅速腐蝕普通金屬。適用的包裝材料有不銹鋼、蒙乃爾、鎳和因柯乃爾。密封材料有聚四化工過程設計第6頁共頁在潮濕空氣中產(chǎn)生濃密的白煙，因此大量泄露時生成大量煙霧，產(chǎn)生濃厚的煙幕效果。溶于冷水，在熱水中水解，而且激烈地分解生成硼酸和氟化氫，并進一步生成氟硼酸和硼氟氧酸。易與乙醚形成穩(wěn)定的絡合物。溶于硫酸、乙烷、、丙烷、戊烷、石腦油、二三．工藝設計希曼(Blaz-Schiemann)料，用亞硝酸鈉在酸性條件下重氮化，之后加入氟試劑制得氟硼酸重氮鹽，這里我們使用氟硼酸鈉作為上氟試劑。之后亞硝酰氯作為親電試劑進攻間甲苯胺上具有孤對電子對的氮原子：化工過程設計重氮化結束后，加入一定濃度的氟硼酸鈉溶液進行陰離子交換，將重氮鹽轉(zhuǎn)化為不溶性的間甲苯氟硼酸重氮鹽。目前，氟代甲苯合成主要有重氮化-氟化法（主要是希曼反應）、鹵素交換法、催(Blaz-Schiemann)并加以改進來制備間氟甲苯。在第二步陰離子交換反應中，使用氟硼酸鈉。3.22工藝過程原理采用希曼反應以間甲苯胺為原料制備間氟甲苯。先將芳胺溶于無機酸（濃鹽酸和濃硫酸）中進行重氮化反應，接著用氟硼酸鈉水溶液進行陰離子交換得到間甲苯氟硼酸重芳烴，同時隨反應進行產(chǎn)生三氟化硼。尾氣三氟化硼用氟化鈉水溶液進行循環(huán)吸收，除了消除有毒廢氣外，還可以變廢為寶，將其轉(zhuǎn)化成氟硼酸鈉后重復用于陰離子交換反應中。上述反應主要包括間甲苯氟硼酸重氮鹽的合成及其在有機溶劑中熱分解得到間氟加料方式、反應溫度、反應時間等；對重氮鹽分解制間氟甲苯反應的主要影響因素包括分解方法及溶劑、分解溫度、分解時間以及三氟化硼的吸收等。在弄清上述這些因素對反應的影響之后，最佳工藝的確定還需要這些變量進行協(xié)同優(yōu)化，強化主反應速度、提高反應底物的轉(zhuǎn)化率和目標產(chǎn)物的選擇性、抑制副反應的發(fā)生將是降低原材料消耗、減化工過程設計化反應后處理程序和提高技術先進性的關鍵。間氟甲苯的制備分為兩步：間甲苯胺在無機酸催化下重氮化、氟硼酸鈉陰離子交換制間甲苯氟硼酸重氮鹽；間甲苯氟硼酸重氮鹽在有機溶劑中熱分解得到間氟甲苯。實驗室小試研究結果表明，濃鹽酸為重氮化反應的較佳溶劑，三氯甲烷為第二步熱分解反應的最佳溶劑。氟硼酸重氮鹽制備最佳反應條件如下：鹽酸/胺摩爾比為2.50~3.20，亞硝酸鈉/胺摩爾比為1.00~1.10/胺摩爾比為1.00~1.25/胺摩爾比為4.80~6.00；反應溫度0~5℃；氟硼酸重氮鹽收率91.3%/氟硼酸重氮鹽摩爾比為4.00~5.50，氟化鈉/氟硼酸重氮鹽摩爾比為1.05~1.30；反應溫度55~60℃；間氟甲苯收率78.5%。42應鹽采用間歇式攪拌懸浮分散分解工藝。工藝裝置主要有原料調(diào)配計量部分、反應部分、化工過程設計第9頁共頁固體產(chǎn)品洗濾部分、尾氣吸收部分和精餾部分。下面對各部分作簡單說明。（1）原料調(diào)配計量部分：亞硝酸鈉溶液、氟硼酸鈉溶液、鹽酸、氟化鈉溶液都需要商品與水配成一定濃度的溶液。其中鹽酸可以在反應裝置現(xiàn)場配制，氟化鈉溶液可以在尾氣裝置中現(xiàn)場配制。亞硝酸鈉和氟硼酸鈉溶液需要有獨立的配制裝置，用時由計量泵打入反應裝置中。（2陰離子交換反應裝置和重氮鹽分解裝置兩部分。重氮化和陰離子交換反應可以在一鍋中進行，無需分離中間體，反應在帶冷卻蛇管和夾套的攪拌反應釜中進行。分解裝置可以與上述反應裝置一致，需要通入蒸氣進行加熱反應。（3）固體產(chǎn)品洗濾部分：主要是對第一步反應得到間甲苯重氮氟硼酸鹽固體進行過濾，并泵入無水乙醇進行數(shù)次洗滌以除去分子性雜質(zhì)。（4）尾氣吸收部分：主要是一循環(huán)式氣體吸收塔，氟化鈉與水現(xiàn)場配制成一定濃使分解裝置中的氣體能順利排出，以防止大量氣體放出造成的危險性。（5）精餾部分：這是有機合成中最為普通的裝置之一，用于最終的產(chǎn)品的分離提純。間甲苯氟硼酸重氮鹽分解時有大量無色氣體BF3水分解并有刺激性氣味。BF3使用無水乙醚吸收尾氣中的BF，乙醚需要大大過量，吸收率可達到56．O％，在實3際生產(chǎn)中應使用噴淋器噴灑乙醚溶液吸收更為合理，產(chǎn)率更佳；采用將NaF固體直接投入到燒瓶中吸收BF氣體的方法，氯仿用量為重氮鹽的4-5倍，回收率可達到67．8％。3在反應開始之前，先向重氮化反應器內(nèi)通入鹽酸，再加入預定量的間甲苯胺，溶解過程為放熱過程，但不用冷卻，溶解完成后，再立即通入冷凍鹽水進行迅速冷卻。在溶液溫度達到-5℃后開始通入質(zhì)量濃度為38%5℃以下，亞硝酸鈉通入10min后開始準確計量通入間甲苯胺。反應結束以后，一次性加入固體尿素分解多余的亞硝酸。然后通入氟硼酸鈉溶液進行陰離子交換，反應結束后通過位差化工過程設計第頁共頁將風干后的固體重氮鹽轉(zhuǎn)移到分解反應釜中，加入溶劑氯仿，攪拌下通入低壓蒸氣進行加熱。分解反應需要加熱引發(fā)，但分解反應本身也是放熱反應，因此當反應開始后（在55定，關鍵是要保持反應溫度在553℃，注意：重氮鹽分解放出一定熱量和大量氣體，力小于0.2MPa）內(nèi)，反應釜內(nèi)的壓力控制可以通過調(diào)節(jié)三氟化硼吸收裝置中的循環(huán)泵的流量來實現(xiàn)。間氟甲苯氯仿溶液經(jīng)膜過濾器過濾后輸送到精餾工序中。三氟化硼是分解反應過程中產(chǎn)生的，由反應釜輸出到吸收塔中，由氟化鈉水溶液進行吸收得到氟硼酸鈉溶液。由于是氣-液兩相反應，為保證有效吸收，采用循環(huán)噴淋方式進行吸收，由循環(huán)泵實現(xiàn)這一過程。間氟甲苯精餾及氯仿回收：間氟甲苯產(chǎn)品的精餾提純通過精餾塔來完成。可采用減壓蒸餾塔，設精餾和提餾兩段，均采用BX型高效低壓降絲網(wǎng)波紋填料，以提高塔的分離精度并降低塔的壓降。為減少塔釜產(chǎn)品溶液高溫停留時間，防止副反應發(fā)生，設計塔62℃以前的餾份從塔頂蒸出經(jīng)塔頂冷凝器冷卻至20℃左右，靠位差自流至回流罐，一部分作為塔頂回流，其余在回流罐液位控制下送至氯仿儲罐。111~113℃餾份經(jīng)冷卻至50℃左右后自流至間氟甲苯產(chǎn)品儲罐。設計塔釜廢液中氟間甲苯含量低于0.1%，經(jīng)塔底出料泵送至污水處理中心集中處理。本設計為年產(chǎn)間氟甲苯2880t3001232kg的總收率為70%。其中第一段間甲苯氟硼酸重氮鹽收率為91%，第二段熱分解間氟甲苯收率為77%。第一段反應進料量計算：間甲苯胺進料含量=14/0.7=20kmol/批間甲苯胺的進料量=20×107=2140kg/批化工過程設計氟硼酸鈉進料量=1.1×20×109.79=2420kg/批由方程式CO(NH)2+2NaNO+2HCl=C02↑+2N↑+2NaCl+3HO2得尿素最少進料量=（1.05-1）×20×60×0.5=30kg/批反應加入水的總量（包括隨原料一起加入的水分）=53.4×20×18=19224kg/批第二段反應進料量計算：氯仿進料量=4.76×20×119.39=11370kg/批氟化鈉進料量=1.38×20×42=1159kg/批洗滌用無水乙醇=5000kg/批目℃h4℃%%批化工過程設計批℃32h％℃℃℃)℃3.4各段反應器的物料平衡的計算重氮化陰離子交換反應裝置物料計算化工過程設計第一步混合反應后中間混合物中含間甲苯重氮氟硼酸鹽=20kmol×193.79g/mol×91%=3527kg/批假設過濾后回收無水乙醇批間甲苯重氮氟硼酸鹽固體批產(chǎn)生最大廢液量=27344+5000-3527-3400=25417kg/批（忽略間甲苯重氮氟硼酸鹽帶走部分液體）化工過程設計分解反應釜物料平衡計算進精餾塔液體包括間氟甲苯和部分氯仿其中：間氟甲苯=20kmol××70%=1540kg/批假設進入精餾塔的液體含氯仿=10000kg/批化工過程設計塔底餾出99.8%氯仿=